深水導(dǎo)管架海上安裝水下基盤對(duì)接模擬計(jì)算及施工工藝

郭　慶，宋青武，宋　波，孫志廣，商寶強(qiáng)，王　賽

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

?

深水導(dǎo)管架海上安裝水下基盤對(duì)接模擬計(jì)算及施工工藝

郭慶，宋青武，宋波，孫志廣，商寶強(qiáng)，王賽

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

針對(duì)水下鉆井基盤在平臺(tái)導(dǎo)管架海上安裝時(shí)，施工難度增加、風(fēng)險(xiǎn)增大的問(wèn)題，通過(guò)某項(xiàng)目導(dǎo)管架海上安裝套水下基盤作業(yè)實(shí)踐，總結(jié)其施工工藝的特殊性，應(yīng)用SCAS軟件對(duì)套筒和導(dǎo)向樁之間的碰撞過(guò)程進(jìn)行模擬計(jì)算，結(jié)果表明，導(dǎo)管架套筒與水下基盤導(dǎo)向樁對(duì)接碰撞應(yīng)力強(qiáng)度滿足規(guī)范要求。

水下基盤；導(dǎo)管架；套筒；導(dǎo)向樁；對(duì)接；碰撞模擬

考慮到海上油氣田整體開發(fā)工期的需要，部分海上油氣田采用預(yù)鉆井與平臺(tái)建設(shè)同步進(jìn)行的方式，其基礎(chǔ)設(shè)施即為水下鉆井基盤，主要作用包括引導(dǎo)鉆具、承接水下井口裝置，以及防噴器組、布置井距、輔助導(dǎo)管架對(duì)接定位等[1]。在完成預(yù)鉆井作業(yè)后，在平臺(tái)導(dǎo)管架海上安裝時(shí)，通過(guò)導(dǎo)向樁與平臺(tái)導(dǎo)管架下部設(shè)置的套筒相互對(duì)接，此方案由于鉆井作業(yè)與工程作業(yè)同時(shí)進(jìn)行，可以有效縮短開發(fā)周期，但導(dǎo)管架套筒與水下基盤導(dǎo)向樁對(duì)接是一個(gè)相互碰撞的過(guò)程，安裝有難度，對(duì)導(dǎo)管架就位精度要求更高，安裝工期與風(fēng)險(xiǎn)都加大，稍有不慎，就有可能對(duì)導(dǎo)管架本體或基盤造成損壞，無(wú)法完成導(dǎo)管架安裝工作。對(duì)接導(dǎo)管架與一般導(dǎo)管架就位精度對(duì)比見(jiàn)表1。

表1　對(duì)接導(dǎo)管架與一般導(dǎo)管架就位精度對(duì)比[2]

鑒于導(dǎo)管架套基盤施工與常規(guī)導(dǎo)管架施工存在一定的區(qū)別，有必要針對(duì)其施工工藝特殊性進(jìn)行研究，明確需重點(diǎn)關(guān)注的事項(xiàng)。

1　項(xiàng)目背景介紹

該導(dǎo)管架設(shè)計(jì)水深79.6 m，采用4腿8群樁導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)形式，使用新型水下基盤為導(dǎo)管架安裝與井口對(duì)接，于2014年8月完成海上安裝工作。新型水下基盤結(jié)構(gòu)是對(duì)已有井口平臺(tái)結(jié)構(gòu)形式的優(yōu)化，其出發(fā)點(diǎn)是解決導(dǎo)管架施工時(shí)的就位傾斜問(wèn)題，同時(shí)考慮平臺(tái)結(jié)構(gòu)抗冰性能以及減小波浪、海流等環(huán)境載荷的影響。該結(jié)構(gòu)采用了引導(dǎo)管和水下基盤相結(jié)合的結(jié)構(gòu)形式[3]。導(dǎo)管架相關(guān)信息見(jiàn)表2，基盤形式見(jiàn)圖1。

表2　導(dǎo)管架相關(guān)信息

圖1　基盤形式示意

其中高樁和低樁為定位樁和導(dǎo)向樁，與導(dǎo)管架套筒對(duì)接，應(yīng)當(dāng)具有足夠的強(qiáng)度來(lái)抵抗導(dǎo)管架就位時(shí)的沖擊力[4]。圖2所示為基盤三維模型。

圖2　基盤三維模型

基盤相關(guān)安裝數(shù)據(jù)見(jiàn)表3、4。

表3　基盤定位樁高度實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

表4　基盤本體及高樁、低樁、輔樁不水平度實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

2　對(duì)接碰撞模擬計(jì)算

2.1碰撞力的選取

假定垂直和水平碰撞力分別為導(dǎo)管架重量的2%和5%，按照導(dǎo)管架詳設(shè)重控報(bào)告，該導(dǎo)管架重量2 842.7 t，計(jì)算可知，垂直作用力557.7 kN，水平作用力為1 394.3 kN。

參考DNV規(guī)范《Rules for Planning and Execution of Marine Operations》要求，套筒對(duì)接作用力應(yīng)不低于導(dǎo)管架吊裝重+內(nèi)部充水重的3%，經(jīng)計(jì)算此重量為3 407.3 t，因此對(duì)接作用力不得低于1 003 kN。

綜合上述兩方面要求并考慮一定的安全系數(shù)，在實(shí)際模擬時(shí)垂直和水平對(duì)接力分別選擇1 100 kN和1 600 kN，作為碰撞模擬的輸入條件。

2.2套筒模型

套筒模型見(jiàn)圖3～5。

圖3　導(dǎo)管架套筒三維模型

圖4　模型桿件編號(hào)

圖5　模型節(jié)點(diǎn)編號(hào)

2.3相關(guān)數(shù)據(jù)的輸入

使用SCAS軟件對(duì)碰撞過(guò)程進(jìn)行模擬，進(jìn)行模型輸入、工況輸入，以及荷載輸入(包括基本荷載和荷載組合), 該軟件是采用有限元法專用于海洋結(jié)構(gòu)工程的分析系統(tǒng)，是國(guó)際上比較先進(jìn)的被普遍使用的海洋工程結(jié)構(gòu)分析程序，對(duì)灌漿與非灌漿導(dǎo)管架平臺(tái)具有強(qiáng)大的分析功能，可以根據(jù)不同的規(guī)范對(duì)桿件及管節(jié)點(diǎn)進(jìn)行強(qiáng)度與沖剪校核，并對(duì)桿件的壁厚進(jìn)行重新設(shè)計(jì)[5]。

2.4模擬結(jié)果

經(jīng)過(guò)SCAS軟件模擬計(jì)算分析，結(jié)果如下。

套筒與導(dǎo)向樁碰撞過(guò)程中最大的桿件UC值為0.56(桿件號(hào)DE1)，所有桿件UC值均小于1，滿足要求。

所有的節(jié)點(diǎn)荷載UC值均小于0.9，部分節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度UC值大于1，見(jiàn)表5。

表5　節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度UC值大于1的節(jié)點(diǎn)

對(duì)于這部分節(jié)點(diǎn)，經(jīng)分析核算，均滿足要求，其中節(jié)點(diǎn)號(hào)中帶“M”、“W”、“K”的均為附屬結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)，根據(jù)詳設(shè)規(guī)格書要求，無(wú)需進(jìn)行碰撞模擬。因此對(duì)此類節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度UC值大于1不做過(guò)多說(shuō)明，如節(jié)點(diǎn)DK26；節(jié)點(diǎn)403L和401L為裝船支撐節(jié)點(diǎn)，其強(qiáng)度UC值超過(guò)1可以忽略。

對(duì)節(jié)點(diǎn)114G和111G根據(jù)實(shí)際情況按照弱截面重新進(jìn)行核算，強(qiáng)度UC值為0.826，滿足要求。見(jiàn)表6。

在原模型的基礎(chǔ)上增加加強(qiáng)環(huán)模型輸入和相關(guān)荷載輸入，模擬計(jì)算可得節(jié)點(diǎn)211G和214G強(qiáng)度UC值分別為0.958和0.966，均小于1，滿足要求。見(jiàn)表7～9。

表6　節(jié)點(diǎn)114G和111G重新核算結(jié)果

表7　帶加強(qiáng)環(huán)節(jié)點(diǎn)模型輸入

表8　帶加強(qiáng)環(huán)節(jié)點(diǎn)荷載輸入

表9　帶加強(qiáng)環(huán)節(jié)點(diǎn)計(jì)算結(jié)果

綜上所述，該導(dǎo)管架套筒與水下基盤對(duì)接經(jīng)SCAS軟件模擬分析計(jì)算，應(yīng)力強(qiáng)度滿足規(guī)范要求。

3　施工工藝流程

與常規(guī)導(dǎo)管架海上安裝步驟類似，不同之處是在導(dǎo)管架注水扶正后需進(jìn)行套基盤作業(yè)，施工步驟主要見(jiàn)圖6。

圖6　套基盤導(dǎo)管架安裝步驟

在主作業(yè)船抵達(dá)現(xiàn)場(chǎng)后，導(dǎo)管架安裝前須對(duì)水下基盤及海床進(jìn)行全面探摸。施工前要對(duì)井口導(dǎo)管架位置進(jìn)行預(yù)測(cè)，對(duì)水深進(jìn)行觀潮測(cè)量，并做出詳細(xì)報(bào)告，對(duì)照臨近井區(qū)工程地形測(cè)量及地質(zhì)勘查資料進(jìn)行分析，檢查是否有與設(shè)計(jì)不符處[6]，作為施工依據(jù)。在完成導(dǎo)管架下水到達(dá)扶正位置，準(zhǔn)備導(dǎo)管架注水扶正前，定位人員需提前登上導(dǎo)管架，待導(dǎo)管架扶正后測(cè)量水平度，為套基盤做準(zhǔn)備。套基盤流程參見(jiàn)圖7。

圖7　套水下基盤步驟

1)導(dǎo)管架注水扶正后提升10 m，調(diào)整主作業(yè)船船位，將導(dǎo)管架調(diào)整至水下基盤正上方，ROV入水，協(xié)助調(diào)整導(dǎo)管架位置及角度，準(zhǔn)備輔助導(dǎo)管架坐底就位。

2)在ROV協(xié)助下，緩緩降低導(dǎo)管架高度，套入高樁直管段約1 m；(主作業(yè)船吊機(jī)手及時(shí)記錄下降高度，ROV檢查高樁套入情況并避免低樁一側(cè)碰撞)。

3)ROV移至低樁一側(cè)，配合導(dǎo)管架套入低樁。

4)導(dǎo)管架坐底就位，打開樁腿全部注水閥和放空閥，100%注水。

在完成導(dǎo)管架套基盤作業(yè)后，即可按照導(dǎo)管架常規(guī)按照步驟進(jìn)行坐底就位、插打鋼樁、灌漿及散件安裝等工作。

4　注意事項(xiàng)

1)為確保導(dǎo)管架套筒與基盤導(dǎo)向樁快速準(zhǔn)確對(duì)接，在導(dǎo)管架陸地建造中，將導(dǎo)管架套筒內(nèi)外側(cè)深刷鮮艷油漆進(jìn)行標(biāo)識(shí)，以便ROV在水下進(jìn)行觀測(cè)，迅速、方便地找到目標(biāo)點(diǎn)，提高對(duì)接效率。

2)導(dǎo)管架扶正過(guò)程就是導(dǎo)管架從水面漂浮狀態(tài)到直立狀態(tài)的過(guò)程[7]。在導(dǎo)管架扶正過(guò)程中，建議從水面由定位系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)導(dǎo)管架位置和方位角，并與事先實(shí)測(cè)的水下基盤坐標(biāo)和朝向進(jìn)行對(duì)比，確保導(dǎo)管架就位位置滿足套基盤要求。

3)進(jìn)行導(dǎo)管架安裝設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)明確基盤導(dǎo)向抗碰撞設(shè)計(jì)值并推算導(dǎo)管架安裝允許的海況條件(風(fēng)、浪、流)，如本文中導(dǎo)管架根據(jù)詳細(xì)設(shè)計(jì)計(jì)算，套筒及導(dǎo)向樁的抗碰撞設(shè)計(jì)值為：豎直方向1 100 kN，水平方向1 600 kN；經(jīng)施工方與設(shè)計(jì)方充分溝通，確定允許海況條件：有義波高≤1.5 m；波周期為6.36～8.48 s，風(fēng)速≤10 m/s，流速≤1 kn。在主作業(yè)船抵達(dá)施工現(xiàn)場(chǎng)后應(yīng)立即測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)海流規(guī)律，導(dǎo)管架套基盤作業(yè)應(yīng)選擇錯(cuò)開天文大潮的較大潮流時(shí)間，在確定的允許海況條件下開展套基盤作業(yè)。

4)導(dǎo)管架套基盤作業(yè)開始前，現(xiàn)場(chǎng)定位人員須對(duì)導(dǎo)管架水平度進(jìn)行復(fù)測(cè)，若水平對(duì)不能滿足設(shè)計(jì)要求，需按照事先設(shè)計(jì)的調(diào)平方案進(jìn)行調(diào)平工作，按設(shè)計(jì)流程和步驟進(jìn)行壓載調(diào)平至技術(shù)指標(biāo)要求后才能進(jìn)行套基盤作業(yè)。水下導(dǎo)管架調(diào)平器是海洋石油平臺(tái)導(dǎo)管架安裝調(diào)平專用機(jī)具，主要功能是調(diào)節(jié)導(dǎo)管架樁腳的高度，以實(shí)現(xiàn)工程要求的平臺(tái)水平精度[8]。

5)對(duì)于套基盤作業(yè)，ROV能否及時(shí)準(zhǔn)確提供相關(guān)信息對(duì)于能否成功完成對(duì)接工作十分關(guān)鍵。ROV檢測(cè)技術(shù)以其經(jīng)濟(jì)、安全、工作效率高、作業(yè)深度大，并能在惡劣的環(huán)境下作業(yè)等優(yōu)點(diǎn)，在海洋工程結(jié)構(gòu)的水下無(wú)損檢測(cè)中得到廣泛重視[9]。在編制作業(yè)方案時(shí)需邀請(qǐng)ROV操作方進(jìn)行審查，充分考慮ROV操作方意見(jiàn)和建議，確保施工方案可行。在作業(yè)前應(yīng)對(duì)ROV觀測(cè)信息與導(dǎo)管架安裝關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)與ROV操作方進(jìn)行詳細(xì)交底。

6)提前核實(shí)導(dǎo)管架套筒與導(dǎo)向樁間隙就位可能最大偏差是否影響井口對(duì)接，本文中基盤高樁頂部正北1°，低樁頂部0.5°，計(jì)算得知安裝誤差為96 mm，允許最大誤差為152 mm，滿足井口對(duì)接要求。

7)在基盤的安裝過(guò)程，導(dǎo)管架安裝工程師應(yīng)全程參與并掌握第一手現(xiàn)場(chǎng)資料，從基盤實(shí)際就位位置、水平度及方位角綜合判斷，作為導(dǎo)管架安裝設(shè)計(jì)輸入數(shù)據(jù)，以降低導(dǎo)管架安裝作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)。

5　結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)導(dǎo)管架套水下基盤施工進(jìn)行了碰撞模擬計(jì)算和對(duì)接三維模擬，研究結(jié)果表明，碰撞過(guò)程應(yīng)力和強(qiáng)度滿足規(guī)范要求，對(duì)接過(guò)程不會(huì)對(duì)導(dǎo)管架或基盤造成損壞。研究成果已在項(xiàng)目成功應(yīng)用，對(duì)于東?；蚰虾５容^深水海域套基盤施工有借鑒意義，具有良好的推廣價(jià)值。

考慮到基盤安裝后實(shí)測(cè)結(jié)果往往與實(shí)際數(shù)據(jù)存在一定的誤差，且該誤差對(duì)于碰撞模擬計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性以及實(shí)際施工時(shí)能否順利對(duì)接十分關(guān)鍵，因此如何提高基盤安裝測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性是各方需關(guān)注的重點(diǎn)，也是后續(xù)研究的難點(diǎn)和關(guān)鍵點(diǎn)，必要時(shí)應(yīng)在導(dǎo)管架安裝前進(jìn)行復(fù)測(cè)，確保設(shè)計(jì)和施工輸入數(shù)據(jù)誤差滿足要求。

[1] 唐海雄，林宗輝，羅俊豐.新型水下基盤吊裝工具系統(tǒng)的研制[J].中國(guó)海上油氣,2008,20(5):333-335.

[2] 楊曉剛.導(dǎo)管架與基盤導(dǎo)向樁的對(duì)接技術(shù)分析[J].中國(guó)海洋平臺(tái)，2001,16(3):21-26.

[3] 劉競(jìng),劉錦昆,李喆，等.新型水下井口基盤模型試驗(yàn)及數(shù)值分析[J].中國(guó)海洋平臺(tái),2009,24(4):33-37.

[4] 侯金林.平湖油氣田鉆井基盤和井口回接輔助結(jié)構(gòu)[J].中國(guó)海上油氣:工程,2000(2):15-17.

[5] 崔書杰,馮春健,路國(guó)章，等.井口平臺(tái)的新型水下基盤結(jié)構(gòu)及其模型分析[J].石油工程建設(shè),2006(4):37-39.

[6] 王建龍.淺談淺海樁基導(dǎo)管架式采油平臺(tái)的施工安裝[J].海洋技術(shù)學(xué)報(bào),2006(3):116-121.

[7] 包清華.馮珩.海上平臺(tái)導(dǎo)管架扶正安裝設(shè)計(jì)分析[J].船海工程,2010,39(5):222-225.

[8] 侯金林.導(dǎo)管架調(diào)平與灌漿系統(tǒng)[J].中國(guó)海上油氣(工程)，2000，12(4)：20-22.

[9] 關(guān)宇,汪良生.ROV檢測(cè)技術(shù)[J].船舶工業(yè)技術(shù)經(jīng)濟(jì)信息,2002(2):22-25.

On Docking Simulation and Technology for the Deep Water Jacket Docking with Subsea Template

GUO Qing, SONG Qing-wu, Song Bo, SUN Zhi-guang, SHANG Bao-qiang, WANG Sai

(Offshore Oil Engineering Co. Ltd., Tianjin 300451, China)

As installation of the subsea template on the platform jacket reveals more difficulties and risks, the particularity of construction technology is summarized through practice during installation of the subsea template on the platform jacket. SCAS is used to simulate the collision between the sleeve and the guide pile. The results show that the structural strength satisfies the requirements of rules. Some construction process and key points are set forth.

subsea template; jacket; sleeve; guide pile; docking; collision simulation

2016-01-05

2016-02-17

工信部2014年高技術(shù)船舶計(jì)劃項(xiàng)目(工信部聯(lián)裝[2013]418號(hào))

郭慶(1975—)，男，碩士，高級(jí)工程師

U674.38

A

1671-7953(2016)04-0067-05

DOI:10.3963/j.issn.1671-7953.2016.04.017

研究方向:海洋工程專業(yè)和工程項(xiàng)目管理

E-mail:guoqing@mail.cooec.com.cn